자성상태 조절이 가능한 새로운 2차원(D) 자성 물질이 발견됐다.
기초과학연구원(IBS·원장 노도영)은 원자제어 저차원 전자계 연구단(단장 염한웅) 김준성 연구위원(포스텍 물리학과 교수)과 심지훈 포스텍 화학과 교수, 최시영 포스텍 신소재공학과 교수 등이 4가지 서로 다른 자성 상태를 조절할 수 있는 2D 자석을 합성해냈다고 17일 밝혔다.
2D 자석은 차세대 소자 후보인 스핀정보소자(전자의 고유한 각운동량을 정보 저장과 처리 기본단위로 사용하는 소자) 구현에 필요한 핵심 소재다. 하지만 후보 물질이 드물고, 매우 낮은 온도에서만 자성이 나타나 적합한 소재를 확보하기 어려웠다.
연구진은 지난해 고온에서도 자성이 유지되는 2D 층상 물질(반데르발스 물질) '철-저마늄-다이텔루라이드' 설계·합성에 성공한 바 있다. 반데르발스 물질은 분자 간 정전기 상호작용으로 생기는 반데르발스 결합으로 이뤄진 물질이다. 쉽게 층을 분리할 수 있다.
연구진은 층 사이 자성결합 세기에 따라 철-저마늄-다이텔루라이드 자성상태가 변하는데 착안했다. 철 원자를 이와 비슷한 망간, 코발트, 갈륨, 루테늄으로 치환했을 때 자성상태를 계산했다.
그 결과 철을 코발트로 치환한 철-코발트-저마늄-다이텔루라이드가 4가지 자성상태를 가질 수 있음을 발견했다. 철-코발트-저마늄-다이텔루라이드는 코발트 원자 농도에 따라 다른 자성상태를 갖는다. 자성 정렬에 따라 강자성과 반강자성, 방향에 따라 수직 이방성(물리적 성질이 방향에 의존하는 성질)과 수평 이방성이 조합되는 4가지 자성상태를 가질 수 있었다.
코발트 농도 뿐 아니라 박막 층수를 조절해 자성 상태를 조절할 수도 있었다. 4가지 자성상태는 특정 온도 영역에서 나타나는데 층수를 변경하면 같은 온도라도 다른 자성 상태를 가졌다.
향후 서로 다른 자성상태의 층을 결합하면 스핀정보 처리에 유용한 특성을 유도할 수 있을 것으로 기대된다.
김준성 연구위원은 “화학적인 조성과 물리적인 두께를 바꿔서 2D 자석 후보 물질의 자성상태를 조절할 수 있음을 계산과 실험으로 보였다”며 “2D 자석을 이용한 스핀소자에 여러 기능을 구현할 수 있는 중요한 발판이 될 것”이라고 말했다.
대전=김영준기자 kyj85@etnews.com
